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Titel: Appressorienbildung von Ustilago maydis auf hydrophoben Oberflächen: Regulation durch Membranproteine
Autor: Lanver, Daniel
Weitere Beteiligte: Kahmann, Regine (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0126
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-01269
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0126
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Appressorium formation of Ustilago maydis on hydrophobic surfaces: Regulation through membrane proteins

Dokument

Schlagwörter:
receptor, Appressorium, Virulenz, appressorium, phytopathogenic fungi, map-kinase, virulence, MAP-Kinase, Mucin, mucin, Phytopathogene Pilze, Rezeptor

Zusammenfassung:
Ustilago maydis ist der Erreger des Maisbeulenbrandes. Die pathogene Entwicklung wird durch Fusion kompatibler Zellen und der Bildung eines dikaryotischen Filaments initiiert. Auf der Pflanzenoberfläche bildet U. maydis Appressorien aus, die das Eindringen des Pilzes in die Pflanze ermöglichen. Die Appressorienbildung wird durch die Hydrophobizität der Blattoberfläche und Cutin Monomere stimuliert. Die pathogene Entwicklung von U. maydis wird durch eine konservierte, zum FG (filamentous growth)-Signalweg in Saccharomyces cerevisiae homologe, MAP-Kinase Kaskade gesteuert. In Hefe agieren zwei Plasmamembranproteine, Sho1p und Msb2p, an der Spitze des MAP-Kinase Signalwegs. In dieser Arbeit wurden Sho1- und Msb2-verwandte Proteine in U. maydis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Sho1 und Msb2 essentiell für die Virulenz von U. maydis sind. Genetische Analysen ergaben, dass Sho1 und Msb2 oberhalb der pathogenitätsrelevanten MAP-Kinase Kaskade agieren. Für Sho1 wurde zudem gezeigt, dass es die MAP-Kinase Kpp6 destabilisiert, indem es direkt mit der N-terminalen Domäne von Kpp6 interagiert. Dies dient wahrscheinlich der Feinregulation der Kpp6 Aktivität. Es konnte nachgewiesen werden, dass Sho1 und Msb2 spezifisch die Appressorienbildung regulieren, aber für die Zellfusion sowie filamentöses Wachstum nicht benötigt werden. Ferner waren sho1 und msb2 Mutanten während der morphologischen Differenzierung auf hydrophoben Oberflächen eingeschränkt, während die Reaktion auf Cutin Monomere nicht beeinträchtigt war. Dies deutet darauf hin, dass Sho1 und Msb2, die beide in der Plasmamembran lokalisieren, bei der Perzeption von Oberflächen beteiligt sind. Msb2, welches zur Familie der Transmembranmucine gehört, wird in ein zelluläres und ein extrazelluläres Fragment prozessiert. Beide Proteindomänen werden für die Funktion von Msb2 benötigt. Da die hoch glycosylierte extrazelluläre Domäne an die Umgebung abgegeben wird, werden zusätzliche Funktionen von Msb2 in der extrazellulären Matrix vermutet, wie z.B. die Vermittlung der Adhäsion zwischen Filamenten und Oberflächen. Transkriptomanalysen unter Appressorien-induzierenden in vitro Bedingungen zeigten, dass Sho1 und Msb2 notwendig für die Expression von potentiell sekretierten Zellwand-degradierenden Enzymen sind. Ferner wurden sekretierte Effektoren, die essentiell für die biotrophe Interaktion von U. maydis mit seiner Wirtspflanze sind, in Abhängigkeit von Sho1 und Msb2 exprimiert. Dies zeigt, dass U. maydis durch Sho1 und Msb2 auf die biotrophe Entwicklung vorbereitet wird, noch während die Hyphen auf der Pflanzenoberfläche wachsen. Da Sho1 und Msb2 in phytopathogenen Pilzen konservierte Proteine sind, könnten sie generelle Virulenzfaktoren darstellen.

Summary:
Ustilago maydis is the causative agent of corn smut disease. Pathogenic development is initiated by fusion of compatible cells and the formation of a filamentous dikaryon. On the plant surface U. maydis differentiates appressoria enabling the fungus to penetrate the plant epidermis. Appressorium formation is stimulated by the hydrophobicity of the leaf surface and cutin monomers. Pathogenic development of U. maydis is regulated by a conserved MAP-kinase cascade homologues to the FG (filamentous growth)-pathway in Saccharomyces cerevisae. In yeast, two transmembrane proteins, Sho1p and Msb2p, act at the head of this MAP-kinase cascade. In this study Sho1 and Msb2-related proteins in U. maydis were characterized. It could be shown that Sho1 and Msb2 are essential for virulence of U. maydis. Genetic data provided evidence that Sho1 and Msb2 act upstream of the pathogenicity-relevant MAP-kinase cascade. Furthermore, Sho1 was shown to destabilize the MAP-kinase Kpp6 through direct interaction with the unique N-terminal domain in Kpp6, indicating a role of Sho1 in fine-tuning Kpp6 activity. It could be demonstrated that Sho1 and Msb2 specifically regulate appressorium formation and are neither required for cell fusion nor for filamentous growth. Moreover, sho1 and msb2 mutants were affected in their morphological response to hydrophobic surfaces, but responded normally to cutin monomers. This suggests that Sho1 and Msb2, which localize in the plasma membrane, are involved in surface perception. The Msb2 protein, which belongs to the family of transmembrane mucins, is processed into a cellular and an extracellular fragment. Both domains are essential for function of Msb2. Since the highly glycosylated extracellular domain is shed to the environment, additional roles of Msb2 in the extracellular matrix are assumed, i.e. mediation of adhesion between filaments and surfaces. Transcriptional profiling under appressorium inducing in vitro conditions revealed that Sho1 and Msb2 are necessary for the expression of potential secreted cell wall degrading enzymes. Furthermore, secreted effectors, known to be essential for the biotrophic interaction between U. maydis and its host plant, were found to be Sho1 and Msb2 dependently expressed. This indicates that Sho1 and Msb2 prime U.maydis for biotrophic development when hyphae are growing on the plant surface. Since Sho1 and Msb2 are conserved proteins in phytopathogenic fungi, they could represent general virulence factors.


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